Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

а. Комплекс для воспроизведения и передачи единицы энергии импульсного лазерного излучения

в. Комплекс для воспроизведения и передачи единицы длины волны лазерного излучения

вавиационной, судостроительной, автомобильной и электронной промышленностях.

Всистеме Минобороны России эксплуатируются высокоточные импульсные лазерные системы.

Вмедицинесредстваизмеренияуказанныхединициспользуются в составе терапевтического, хирургического, офтальмологическогоидерматологическогооборудования

вкачестве дозаторов энергии и плотности энергии лазерногоизлучения. Передозировка, всилунеполнойясности овоздействиикогерентногоизлучениянаживойорганизм, может привести к побочным заболеваниям, в том числе онкологическим. Без контроля энергии, параметров качествапучка, длительностиимпульса, атакжедлиныволны лазерногоизлучениянельзягарантироватьположительный результатприпроведенииоперацийвофтальмологии.

Международное сотрудничество. Сличения

Ведутся переговоры по предстоящим сличениям ГЭТ 187-2010 по единице энергии импульсного ла-

зерного излучения с лабораториями PTB, Германия, и NIST, США.

Литература

1.ГОСТР8.780–2012. ГСИ. Государственнаяповерочная схема для средств измерений энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,0 мкм.

2.William T. Silfvast Laser Fundamentals. N. Y.: Cambridge University Press, 1996.

3.Абдрахманов К.Ш., Райцин А.М. Диффузный фор-

мировательравномерногораспределенияинтенсивностив поперечномсечениипучкалазерногоизлучения// Измери-

тельнаятехника. 2013. №1. C. 33–38; Abdrakhmanov K.Sh., Raitsin A.M. Diffuse Shaper of Uniform Intensity Distribution in a Laser Radiation Beam Cross-Section // Measurement Techniques. 2013. V. 56. N 1. P. 46–53.Radiation Beam Cross-Section // Measurement Techniques. 2013. V. 56. N 1. P. 46–53.

Описание вида измерений

Хроматическаядисперсия(ХД) являетсяпараметром оптическоговолокнаипредставляетсобойзависимость групповойскоростираспространениясигналаотдлины волны излучения и приводит к уширению оптического импульса, тем самым вызывая ограничение скорости и уменьшение дальности передачи без восстановления исходной формы импульса. Хроматическая дисперсия измеряется в единицах пс/нм. Описанная зависимость дополнительно характеризуется наклоном кривой хроматическойдисперсии(пс/нм2) идлинойволнынулевой дисперсии(нм). Двепоследниехарактеристикиявляются дополнительными, но играют существенную роль при модернизации существующих, а также вновь создаваемых волоконно-оптических систем передачи (ВОСП).

Историческая справка (история развития вида измерений) и развитие вида измерений в России

Растущаяпотребностьвувеличениискоростииобъема передаваемых данных требует применения ВОСП. Вэтойситуацииопределяющимистановятсяпринципиально новые параметры оптического волокна, ограничивающие увеличение пропускной способности линий связиивлияющиенаскоростьпередачиданных. Одним изтакихпараметровявляетсяхроматическаядисперсия.

Дляизмеренияиконтроляхроматическойдисперсии в оптическом волокне на российском рынке, начиная с 2000-х гг., представлены средства измерений ХД, номенклатура и количество которых быстро возрастают.

НанастоящиймоментвРФимеютсякакпортативные средства измерений (СИ) хроматической дисперсии, используемыевполевыхусловиях, такилабораторные, предназначенные дляпроведенияизмеренийвисследовательских лабораториях и на заводах по производству оптического волокна.

Основные направления развития

Появление СИ ХД приводит к необходимости обеспеченияединстваизмеренияхроматическойдисперсии путем создания правовой, организационной и техническихподсистем, позволяющихобеспечитьнеобходимую точность, а также поверку, калибровку и испытание средств измерений хроматической дисперсии. Данные задачи решаются разработанными и созданными во ФГУПВНИИОФИГосударственнойповерочнойсхемы, Государственного (ГЭТ 184-2010) и рабочих эталонов единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне, методовкалибровкииповеркисредствизмерений.

В то же время требования к характеристикам оптического волокна все время возрастают с возрастанием скорости передачи данных, что приводит к выпуску все

новых и новых средств измерений с лучшими метрологическими характеристиками. Поэтому в настоящее время идут исследования по повышению точности Государственного эталона за счет введения в схему опорногоканала, позволяющегоуменьшитьвлияниефактора температуры на процесс и погрешность измерения хроматической дисперсии.

Принцип действия

Принцип действия эталона основан на измерении разностифазоптическогоизлучения, прошедшегочерез мерухроматическойдисперсиииопорногоэлектрического сигнала. Данный метод в международной литературе получил название как фазосдвиговый метод измерения (phase-shift method) [1]. Фазасигнала, прошедшегочерез меру хроматической дисперсии, будет изменяться в зависимостиотдлиныволнывследствиеналичияэффекта хроматизма в оптическом волокне. Излучение, генерируемое перестраиваемым лазером, модулируется по интенсивности синусоидальным сигналом при помощи электрооптического модулятора. Управляющий сигнал поступает на модулятор от векторного анализатора. Далее промодулированное по интенсивности оптическое излучениепоступаетнамерухроматическойдисперсии, вносящую фазовую задержку φ(λ). По выходу из меры излучениепоступаетвфотоприемник, гдепреобразуется в электрический сигнал и затем усиливается.

Электрический сигнал поступает на вход векторного анализатора, которыйосуществляетизмерениефазыφ(λ), пс, наосновекоторойвычисляетсягрупповаязадержка[2]:

где λ – центральная длина волны, на которой производится измерение, нм

f – частота модуляции, Гц;

ϕλ2– фаза сигнала на этом измерении; ϕλ1– фаза сигнала на предыдущем измерении.

Наосноверезультатовизмеренияосуществляетсяаппроксимациягрупповойзадержкиметодомнаименьших квадратов(МНК) спомощьюформулСелмейера[2] сучетомтипаисследуемоговолокнаирабочегоспектрального диапазона, что позволяет снизить неопределенность измеренияпривоспроизведениихроматическойдисперсии

Далее, используякоэффициентыформулыаппроксимации групповой задержки, вычисляют хроматическую дисперсию [2], которая является первой производной групповой задержки по длине волны излучения (2).

где D – хроматическая дисперсия, пс/нм;

dτ – относительная групповая задержка, пс. Передачи единицы ХД осуществляются с помощью

мернаосновеспециальныходномодовыхтелекоммуникационных оптических волокон G.652, G.653 и G.655 с использованием пассивного термостата.

вранге дополнительных по проекту EURAMET PR-S3 со Швейцарским Федеральным офисом метрологии METAS, которыйявлялсястраной-пилотомпроведенных ранеесличенийпопроекту666 EUROMET.PR-S1 сNIST (США), NPL (Великобритания), HUT (Финляндия).

Анализрезультатовсличенийпоказал, чтоонилежат

впределахнеопределенностирезультатовсличений(отклонение отопорного значения – не более 0,2 пс/нм при расширенной неопределенности результатов сличений 0,64 пс/нм), что подтверждает заявленные метрологические характеристики эталона ГЭТ 184-2010 и сопоставимость их с метрологическими характеристиками эталонной аппаратуры Швейцарского Федерального офиса метрологии и других национальных метрологических институтов.

Результаты сличений были опубликованы в журнале Metrologia [4], автаблицукалибровочныхвозможностей (CMC) были включены соответствующие строки по данному виду измерений.

Литература

1.Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрев А.К., Тихо-

миров С.В. Методы измерений хроматической дисперсии

вволоконно-оптических системах передачи информации //

Фотон-Экспресс. – 2011. – №5(93). – С. 18–20.

2.Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрев А.К.,

ПневА.Б., ТихомировС.В. Эталоннаяаппаратурадлясредств измерений хроматической дисперсии в волоконно-опти- ческих системах передачи информации // Измерительная техника. – 2010. – № 8. – С. 24–28.

3.Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрев А.К.,

Пнев А.Б., Тихомиров С.В. Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии

воптическом волокне // Измерительная техника. – 2012. –

№ 1. – С. 3–6.

4.Final report on EURAMET.PR-S3: Bilateral intercomparison of measurements of chromatic dispersion reference fibres between METAS (Switzerland) and VNIIOFI (Russian Federation) // Metrologia 01/2013; 50(1A):02001.

А.К. Митюрев

Описание вида измерений

Широкое применение волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСП) делает актуальной проблему обеспечения единства измерений основных параметровкаксистемвцелом, такиихэлементов. При этом в данной области единство измерений и их точность однозначно определяют качество и технические параметрысамихВОСПиихсоответствиеобязательным требованиям государственных стандартов. Сохранение

ирасширение единого информационного пространства

иразвитие кооперации России со странами ближнего

идальнего зарубежья предъявляют дополнительные требования как к техническим средствам системы метрологического обеспечения, так и к необходимости

гармонизации с международными стандартами отечественной нормативной документации.

В настоящее время большинство телекоммуникационных компаний стремятся увеличить пропускную способность ВОСП, чтобы удовлетворить возрастающую потребность формирующегося информационного общества оперировать все большими объемами информации при общении с помощью широкого спектра средств связи. При проектировании новых волоконно-оптических систем передачи информации учитывается возможность использования технологий передачи информации со спектральным уплотнением каналов и когерентного детектирования, которые позволяют увеличивать пропускную способность линии на несколько порядков.

Однимизосновныхфакторов, влияющихнаскорость передачи информации в высокоскоростных ВОСП, являются дисперсионные характеристики оптического волокна (ОВ), в частности – поляризационная модовая дисперсия(ПМД) [1]. ПодПМДпонимаетсяусредненная в рабочем спектральном диапазоне дифференциальная групповаявременнаязадержка(ДГЗ) междуортогонально поляризованными модами, распространяющимися по волоконному кабелю и возникающими вследствие нарушения концентричности сердцевины оптического волокна, внутренних и внешних механических напряжений, неоднородности материала и т. д. (см. рис. 1). Возникновениеданнойзадержкиприводиткуширению оптического импульса, передаваемого по оптическому волокну, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа битовых ошибок и снижению скорости передачи информации.

Основным источником ПМД в линии связи служит оптическое волокно. Кроме того, свой вклад в ПМД линиивносятидругие компоненты ВОСП – волоконнооптические разъемные соединения, ответвители, переключатели, аттенюаторы, изоляторы, мультиплексоры, эрбиевые усилители (EDFA) и т. д.

Эффект ПМД стал критичным по мере достижения высоких скоростей в оптическом канале связи. Кроме этого, всилунакопительногохарактераполяризационной модовой дисперсии ее негативное влияние усиливается сростомпротяженностиВОСП. ТакжевлияниеПМДна качество линий связи усиливается с ростом количества каналов(внедрениеWDM системнаустаревшиелинии). Таким образом, чтобы дать разработчикам ВОСП возможность эффективно учитывать роль ПМД в технических характеристиках ВОСП, становится необходимым оговаривать величину ПМД в спецификации волокна и кабеля. ПМД – это параметр, измерение которого необходимо как при производстве оптического кабеля, так и по завершении его прокладки вследствие наличия большого количества уже проложенных ВОСП с неизвестной ПМД. На основании таких измерений можно принимать решения о возможности модернизации уже существующихВОСПиоцениватьпредельнуюскорость

передачи информации в проектируемых ВОСП и качество ВОСП в целом.

Для решения задач измерений ПМД в ВОСП в настоящее время в России применяется целый ряд типов средств измерений, и с внедрением систем со спектральным уплотнением их номенклатура быстро увеличивается. Это, в свою очередь, потребовало разработки эталонных методов и средств измерений, позволяющих обеспечить поверку, калибровку и испытания рабочих средств измерений данных классов.

Былпроведенкомплексработпосозданиюэталонной аппаратуры и соответствующих методических основ с целью метрологического обеспечения измерений ПМД на территории РФ, а также гармонизация имеющихся методов с международными нормами и стандартами в рассматриваемой области. В результате был разработан и утвержден Государственный первичный специальный эталон(ГПСЭ) единицыполяризационноймодовойдисперсии в оптическом волокне ГЭТ 185-2010 [4].

Принцип действия

Эталоннаяаппаратурадлявоспроизведенияединицы поляризационноймодовойдисперсии, входящаявсостав ГЭТ 185-2010, построена на базе двух высокоточных измерительных установок с набором мер (компарато- ров-имитаторов) ПМД для режимов слабой и сильной связи мод. Измерения поляризационной модовой дисперсии указанных мер осуществляются двумя методами, рекомендованными к применению стандартами [2, 3] Международной электротехнической комиссии (МЭК) – поляриметрическимиинтерферометрическим. Такое разделение обусловлено разными зависимостями неопределенности измерений ПМД каждого метода, вследствие чего поляриметрический метод целесообразно использовать для измерений малых значений ПМД, аинтерферометрическийдляизмеренийбольших значений ПМД (рис. 2).

Измерения ПМД на основе интерферометрического метода осуществляются при помощи интерферометра

Майкельсона. Огибающая реализации интерференционнойкартины, регистрируемойфотоприемнымустройством при перемещении призмы в «подвижном» плече интерферометра, являетсяискомойавтокорреляционной функцией. Формула измерений ПМД [2] имеет вид:

где<Δτ> – усредненнаяпоспектральномудиапазону источникадифференциальнаягрупповаязадержка(ДГЗ), [пс]; λop – длина волны опорного лазера; m – количество интерференционных полос; с – скорость света; xi – внешниеивнутренниефакторы, влияющиенарезультат определения количества интерференционных полос.

Принцип действия установки на основе поляриметрического метода заключается в измерении параметров вектора Стокса одночастотного поляризованного оптического излучения, прошедшего среду с ПМД, для разных длин волн оптического излучения. Для каждой длины волны измерения проводятся для трех состояний поляризации. Изменение параметров вектора Стокса в зависимости от длины волны и характера состояния поляризацииоптическогоизлучениянавходеисследуемой среды связано с ДГЗ соотношением [2]:

где τ – ДГЗ; θ – угол поворота вектора Стокса в результате перестройки длины волны оптического излучения, проходящего среду с ПМД, с λ1 до λ2, радианы; λ – длина волны перестраиваемого лазера, нм; с – скорость света, м/с.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

ВсоставГПСЭединицыПМДвошлааппаратурадля воспроизведения, хранения и передачи единицы ПМД в оптическом волокне в следующем составе:

–эталонное средство измерений ПМД на основе интерферометрического метода;

–эталонное средство измерений ПМД на основе поляриметрического метода;

–набор мер (компараторов-имитаторов) ПМД;

–устройство сопряжения мер единицы ПМД с измерительной аппаратурой;

–персональный компьютер.

Рис. 2. Графики зависимости стандартной неопределенности при воспроизведении единицы ПМД от величины ПМД

5

Рис. 3. Внешний вид ГПСЭ единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185-2010

1 – измерительное устройство на основе интерферометрического метода измерений ПМД; 2 – измерительное устройство на основе поляриметрического метода измерений ПМД вместе с контроллером состояния поляризации излучения; 3 – устройство сопряжения мер ПМД;

4 – набор мер (компараторов-имитаторов) ПМД; 5 – перестраиваемый лазер; 6 – ЭВМ

Рис. 4. Результаты сравнительных метрологических исследований:

A – референсная точка (аппаратура ГПСЭ);

B – отклонение среднего значения ПМД меры, измеренное с помощью аппаратуры EXFO; C – отклонение среднего значения ПМД меры, измеренное с помощью аппаратуры JDSU; D – отклонение среднего значения ПМД меры, измеренное с помощью аппаратуры NetTest

исследованиях принимали участие средства измерений ПМДтакихфирм, какEXFO (Канада), JDSU (Германия)

иNetTest North America Inc (США). Измеренияпроводи-

лись с помощью меры единицы ПМД в режиме слабой связимоддлядиапазоназначенийПМД0,3 пс. Нарис. 4 приведены результаты измерений в виде отклонения среднего значения измеряемой величины ПМД для различных средств измерений ПМД от среднего значения

ПМД, полученного на аппаратуре эталона. Максимальное значение отклонения не превышает значения погрешности измерений ПМД используемой в сличениях аппаратуры.

В настоящее время проходит подготовка к сличениям первичных эталонов единицы ПМД национальных метрологических институтов Южной Кореи (KRISS), Испании (CEM), Мексики (CENAM) и ФГУП «ВНИИОФИ» в диапазоне воспроизведения до 1 пс с помощью поляриметрического метода.

Лаборатория метрологии малоинтенсивного лазерного излучения и волоконно-оптических систем ФГУП «ВНИИОФИ» (Ф-3) поддерживаетпостоянныеконтакты

вобластиизмеренийпараметровволоконно-оптических системпередачиинформацииснациональнымиметрологическими лабораториями Германии, Швейцарии, ЮжнойКореикакнауровнедвустороннегосотрудничества, такиврамкахконкретныхвопросов, дискуссийиобмена мнениямимеждуспециалистами, участияипубликаций

вмеждународных конференциях.

Литература

1.Кравцов В. Е., Лукьянов А. М., Пнев А. Б., Тихомиров С.В., Григорьев В.В., Митюрев А.К. Обеспечение единства измерений спектральных и дисперсионных характеристик в ВОСПИ со спектральным уплотнением // Измерительная техника, № 5 – 2006.

2.IEC 60793-1-48 Ed 1.0 «Measurement methods and test procedures – Polarization mode dispersion».

3.TS 61941 «Polarization-mode dispersion measurement techniques for single-mode optical fibres».

4.ГригорьевВ.В., КравцовВ.Е., МитюревА.К., ПневА.Б.,

Тихомиров С.В. Государственный первичный специальный эталон единицы поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне // Измерительная техника. 2012. – № 2.

А.К. Митюрев

Описание вида измерений

Динамичное развитие волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСП) делает актуальной проблему обеспечения единства измерений основных параметровкаксистемвцелом, такиихэлементов. При этомединствоизмеренийиихточностьвданнойобласти определяют качество и технические параметры самих ВОСП и их соответствие обязательным требованиям международных и государственных стандартов.

СпецификаизмеренийпараметровВОСПобусловлена:

– характерными энергетическими, временными и спектральнымидиапазонамиработылазеровифотоприемныхустройстввсистемахсвязи, атакжепараметрами

волоконныхэлементов, особенностьюкоторыхявляются ихмалыеразмерыинеобходимостьработысизлучением большойрасходимостиималоймощностивинфракрасном диапазоне спектра;

–важнейшиминформативнымпараметром– мощностьюизлучения, котораямодулируетсяваналоговойили импульсной форме передаваемым сигналом. Для реализации потенциальных возможностей по широкополосности систем возникает необходимость неискаженного формирования, передачи и приема всеми элементами ВОСП оптических сигналов нано- и субнаносекундной длительности;

–необходимостью создания комплексной системы метрологического обеспечения измерений не отдельных

физических величин, аобластейдеятельности иприменения соответствующих многопараметровых пассивных и активныхэлементов. Отсюдазадачасозданияспециализированныхивзаимоувязанныхрабочихиэталонныхсредств измерений и поверочного оборудования для различных параметровивеличинкаксамихсистем, такиихэлементов;

– широким применением и массовостью контролируемой продукции, достаточно жесткими требованиями к измеряемым параметрам в совокупности с постоянной тенденцией уменьшения погрешностей из-за отставания отечественной измерительной техники от потребностей практики. Этовынуждаетпроизводитьимпортныезакупки нетолькосамихсистем, ноисоответствующегоконтроль- но-измерительногооборудования, чтонарушаетметрологическую безопасность при использовании систем.

Историческая справка (история развития вида измерений) и развитие вида измерений в России

Возрастающие требования к номенклатуре измеряемых параметров и погрешностям измерений требуют постоянного совершенствования эталонной базы и методов передачи размеров соответствующих единиц. Это стимулировало разработку, производство и использование в данной области специализированной измерительной техники. В настоящее время свыше 100 фирм занимается средствами измерений (СИ) для ВОСП, при этом номенклатура СИ по видам составляет около 30, а по типам около 500. Обеспечение единства измерений осуществляется как самими фирмами, создающими эталонное и калибровочное оборудование, так и национальнымиметрологическимиинститутами, преждевсего

NIST (США), METAS, (Швейцария), PTB (Германия) и

др. В России свыше 100 типов СИ прошли испытания и включенывГосударственныйреестрсредствизмерений. Их используют сотни организаций.

Область применения СИ, например, для контроля нормируемыхпараметровВОСПприприемочных, сертификационныхилинейныхиспытаниях, приэксплуатации

ипредоставленииуслуг(т. е. каналов) потребителюприводит к необходимости государственного контроля. Это относится не только к отдельным СИ, но и к приборам

иизмерительным комплексам, входящим в комплект поставки самих ВОСП.

Сохранение и расширение единого информационного пространства и развитие кооперации России со странами ближнего и дальнего зарубежья предъявляют дополнительные требования как к техническим средствам системы метрологического обеспечения, так и к гармонизированной с международными стандартами нормативной документации, что требует создания современной системы метрологического обеспечения измерений в данной области, включающей эталонные средства и комплекс нормативных документов.

Рабочимиэталонамииповерочнымиустановкамидля средств измерений средней и максимальной мощности

идинамических параметров были оснащены в эти годы рядтерриториальныхоргановГосстандартаипредприятия ряда ведомств.

В связи с изложенным в 2006 г. во ВНИИОФИ в рамках развития эталонной базы страны разработан и в 2011 г. усовершенствованкомплексныйГосударственный первичный специальный эталон (ГПСЭ) единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем передачи информации ГЭТ 170-2011, характеристики которого значительно превышают характеристики имевшейся аппаратуры.

Создана также соответствующая Межгосударственная поверочная схема (ГПС) для обеспечения единства измерений ГОСТ 8.585-2013.

Основные направления развития

Дальнейшее развитие высокоскоростных ВОСП со спектральным уплотнением требует создания новой метрологической базы для обеспечения единства измеренийнетольковчастиперечисленныхвышеосновных параметров ВОСП, но и в части других параметров, к которымможноотнестидисперсионныехарактеристики оптического волокна и динамические характеристики (измерения параметров передаваемых импульсов), а также совершенствования в области измерений спектральных характеристик с помощью комб-генераторов.

В связи с этим работы в данной области будут нацелены на совершенствование созданных эталонов и на исследования и разработку эталонной базы для указанных новых направлений.

Состав эталона

Государственный первичный эталон состоит из трех комплексов технических средств:

–комплекс средств измерений (СИ) для хранения, воспроизведенияипередачиединицсреднеймощностии ослабленияоптическогоизлучениявволоконно-оптиче- скихсистемахпередачиинформации(ВОСП), включающий в себя аппаратуру для обеспечения калибровки и поверки СИ обратных потерь в ВОСП и аппаратуру для измеренийотносительныхспектральныххарактеристик компонентов ВОСП;

–комплекс СИ для хранения, воспроизведения и передачи единиц длины и времени распространения сигнала в ВОСП;

–комплекс СИ для хранения, воспроизведения и передачиединицыдлиныволныоптическогоизлучения

вВОСП.

Принцип действия

Комплекс аппаратуры для хранения, воспроизведения и передачи единиц средней мощности и ослабления оптического излучения

вВОСП включает в себя следующие устройства:

–установкудлявоспроизведенияипередачиединицы средней мощности оптического излучения в ВОСП на